CN106680577B - 单相电压同步信号检测的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单相电压同步信号检测的系统，包括电源控制模块，用于所述的系统提供电源供应；输入电压采样模块，用于将交流市电电压转换成1～2.5V内的交流信号；运放调理模块，用于将所述的输入电压采样模块输出的交流信号进行差分放大和调理，输出按正弦规律变化的交流信号；微处理模块，用于对所述的运放调理模块输出的交流信号进行AD采样，并通过对采样得到的信号进行比较和判断，得到交流电压的同步信号；通信模块，用于实现USB和串口之间的通信，还包括一种单相电压同步信号检测的方法。采用该系统及方法，结合硬件和软件的优势，实现高精度同步信号的检测和输出、方便同步信号与其他主控制器通信，具有广泛的应用范围。

Description

单相电压同步信号检测的系统及方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及单相电压检测技术领域，具体是指一种单相电压同步信号检测的系统及方法。

背景技术

三相电压间互差120°电角度，三相的中点即是电压的零点。所以，利用比较器将每一相电压相对于零点的变化做比较即可获得三相电压的同步信号。

但是对于单相正弦电压而言，零线(N)并非是稳定的零电平电位，而是随着火线(L)和负载的大小而波动的。所以很难获得与火线(L)的电平比较信号。

目前，常用的方法是将单相正弦电压分压后再抬升一个直流电平U₁，再将该抬升后的正弦信号与直流电平U₁做比较，从而获得随单相正负半波变化的方波同步信号。还有的是将单相正弦信号做全波精密整流之后与一个直流零电平比较，从获得方波输出的同步信号。但是上述方法在正弦信号过零点时存在明显的抖动过程，导致比较器在正弦电压过零点时多次输出正负脉冲信号。从而导致所获得的同步信号不够准确，实际中运用效果不足。因此，有必要寻求一种高精度单相电压同步信号检测技术并运用于实际。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现获得高精度单相电压同步信号的单相电压同步信号检测的系统及方法。

为了实现上述目的，本发明具有如下构成：

该单相电压同步信号检测的系统，包括：

电源控制模块，用于所述的系统提供电源供应；

输入电压采样模块，用于将交流市电电压转换成1～2.5V内的交流信号；

运放调理模块，用于将所述的输入电压采样模块输出的交流信号进行差分放大和调理，输出按正弦规律变化的交流信号；

微处理模块，用于对所述的运放调理模块输出的交流信号进行AD采样，并通过对采样得到的信号进行比较和判断，得到交流电压的同步信号；

通信模块，用于实现USB和串口之间的通信。

较佳地，所述的电源控制模块包括开关型稳压芯片、三端线性稳压芯片、第一电源芯片、第二电源芯片、第二十八电容、第二十九电容、第三十电容、第三十一电容、第三十二电容、第三十三电容、第二电感、熔断器、第二电感、第三十电阻、第四二极管和发光二极管，所述的开关型稳压芯片的输入端分别与所述的第二十八电容的第一端和所述的第二十九电容的第一端相连接并接12V电压，所述的开关型稳压芯片的开关端分别与所述的第二十八电容的第二端、所述的第二十九电容的第二端、所述的开关型稳压芯片的接地端、所述的第四二极管的正极、所述的第三十电容的第二端、所述的第三十一电容的第二端、所述的三端线性稳压芯片的调整端、所述的第三十二电容的第二端、所述的第三十三电容的第二端、发光二极管的负极、所述的第一电源芯片的第二端、所述的第一电源芯片的第四端、所述的第一电源芯片的第六端、所述的第二电源芯片的第二端、所述的第二电源芯片的第四端和所述的第二电源芯片的第六端相连接并接地，所述的开关型稳压芯片的输出端分别与所述的第四二极管的负极和所述的第二电感的第一端相连接，所述的开关型稳压芯片的反馈端分别与所述的熔断器的第一端和所述的第二电感的第二端相连接，所述的熔断器的第二端分别与所述的第三十电容的第一端、所述的第三十一电容的第一端和所述的三端线性稳压芯片的输入端相连接并接VCC，所述的三端线性稳压芯片地输出端分别与所述的第三十二电容的第一端、所述的第三十三电容的第一端、所述的第三十电阻的第一端、所述的第二电源芯片的第一端、所述的第二电源芯片的第三端和所述的第二电源芯片的第五端相连接，所述的第三十电阻的第二端与所述的发光二极管的正极相连接，所述的第一电源芯片的第一端、所述的第一电源芯片的第三端、所述的第一电源芯片的第五端均接VCC。

较佳地，所述的输入电压采样模块包括第十八电阻、第十九电阻和第二十三电阻，所述的第十八电阻的第一端与所述的输入电压采样模块的电压输入端的正极相连接，所述的第十八电阻的第二端与所述的第十九电阻的第一端相连接，所述的第十九电阻的第二端与所述的第二十三电阻的第一端和所述的输入电压采样模块的电输出压端的正极相连接，所述的第二十三电阻的第二端分别与所述的输入电压采样模块的电压输入端的负极和所述的输入电压采样模块的电压输出端的负极相连接。

较佳地，所述的运放调理模块包括第十六电阻、第十七电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十四电阻、第二十七电阻、第五二极管、第六二极管、第二十三电容、第一运算放大器和第二运算放大器，所述的第一运算放大器的同相输入端分别与所述的第十六电阻的第二端、所述的第十七电阻的第一端和所述的第二十一电阻的第二端相连接，所述的第十六电阻的第一端与所述的运放调理模块的－BUS端相连接，所述的第十七电阻的第二端接VCC，所述的第二十一电阻的第一端与所述的输入电压采样模块的电压输出端的正极相连接，所述的第一运算放大器的反相输入端分别与所述的第二十四电阻的第二端、所述的第二十七电阻的第一端相连接，所述的第二十四电阻的第一端与所述的输入电压采样模块的电压输出端的负极相连接，所述的第二十七电阻的第二端分别与所述的第一运算放大器的输出端和所述的第二十电阻的第一端相连接，所述的第一运算放大器的正电源端接VCC，所述的第一运算放大器的负电源端接地，所述的第二十电阻的第二端分别与所述的第二十三电容的第一端和所述的第二运算放大器的同相输入端相连接，所述的第二十三电容的第二端接地，所述的第二运算放大器的反相输入端分别与所述的第二运算放大器的输出端和所述的第二十二电阻的第一端相连接，所述的第二十二电阻的第二端分别与所述的第五二极管的负极、所述的第六二极管的正极和所述的运放调理模块的输出端相连接，所述的第五二极管的正极接地，所述的第六二极管的负极接3.3V电压。

较佳地，所述的微处理模块包括微处理芯片、第一晶振、第二晶振、第一二极管、第二二极管、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第二电阻、第三电阻、第一电感和变压器，所述的微处理芯片的OSC_IN/PD0端分别与所述的第二电阻的第一端、所述的第一晶振的第一端和所述的第三电容的第一端相连接，所述的第二电阻的第二端分别与所述的微处理芯片的OSC_OUT/PD1端、所述的第一晶振的第二端和所述的第四电容的第一端相连接。所述的第四电容的第二端与所述的第三电容的第二端相连接并接地，所述的微处理芯片的VBAT端分别与所述的第一二极管的负极和所述的第二二极管的负极相连接，所述的第一二极管的正极接3.3V电压，所述的第二二极管的正极分别与所述的第五电容的第二端和所述的变压器的第四端相连接并接地，所述的第五电容的第一端分别与所述的第三电阻的第二端和所述的变压器的第一端相连接并接复位信号，所述的第三电阻的第一端接3.3V电压，所述的微处理芯片的VDD_1端分别与所述的微处理芯片的VDD_2端、所述的微处理芯片的VDD_3端、所述的微处理芯片的VDD_4端和所述的第一电感的第一端相连接并接3.3V电压，所述的第一电感的第二端分别与所述的第八电容的第一端、所述的第九电容的第一端和所述的微处理芯片的VDDA端相连接，所述的第八电容的第二端与所述的第九电容的第二端相连接并接地，所述的微处理芯片的VSS_1端分别与所述的微处理芯片的VSS_2端、所述的微处理芯片的VSS_3端、所述的微处理芯片的VSS_4端和所述的微处理芯片的VSSA端相连接并接地，所述的微处理芯片的PC14-OSC32_IN端分别与所述的第二晶振的第二端和所述的第七电容的第一端相连接，所述的第七电容的第二端与所述的第六电感的第二端相连接并接地，所述的第六电感的第一端分别与所述的第二晶振的第一端和所述的微处理芯片的PC15-OSC32_OUT端相连接。

更佳地，所述的微处理模块还包括显示单元，用以显示电压采样值和输出单相电压同步信号，所述的显示单元与所述的微处理芯片相连接。

较佳地，所述的通信模块包括通信芯片、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第三二极管、NPN型三极管、PNP型三极管、第十电容、第十一电容、第十二电容、第十三电容、第二十二电容和第三晶振，所述的通信芯片的TDX端接TDX信号，所述的通信芯片的DTR_N端分别与所述的第六电阻的第二端和所述的第五电阻的第二端相连接，所述的第五电阻的第一端与所述的第四电阻的第二端相连接，所述的第四电阻的第一端分别与所述的第三二极管的负极和所述的NPN型三极管的集电极相连接，所述的第三二极管的正极接复位信号，所述的第六电阻的第一端与所述的NPN型三极管的基极相连接，所述的NPN型三极管的发射极分别与所述的第七电阻的第二端、所述的第八电阻的第二端和所述的通信芯片的RTS_N端相连接，所述的第七电阻的第一端与所述的PNP型三极管的发射极相连接并接3.3V电压，所述的PNP型三极管的基极与所述的第八电阻的第一端相连接，所述的PNP型三极管的集电极与所述的第十电阻的第一端相连接，所述的第十电阻的第二端接BOOT0信号，所述的通信芯片的VDD_232端与所述的第十电容的第二端相连接，所述的第十电容的第一端接地，所述的通信芯片的RXD端接RXD信号，所述的通信芯片的第一GND端与所述的第十三电容的第二端相连接并接地，所述的第十三电容的第一端与所述的通信芯片的第一VDD端相连接并接VCC，所述的通信芯片的OSC1端分别与所述的第三晶振的第二端和所述的第十二电容的第一端相连接，所述的第三晶振的第二端分别与所述的第十一电容的第一端和所述的通信芯片的OSC2端相连接，所述的第十一电容的第二端分别与所述的第十二电容的第二端、所述的通信芯片的PLL_TEST端、所述的通信芯片的GND_PLL端、所述的通信芯片的第二GND端、所述的通信芯片的GND_3V3端和所述的第二十二电容的第二端相连接并接地，所述的第二十二电容的第一端与所述的通信芯片的VDD_3V3端相连接，所述的通信芯片的VDD_PLL端接VCC，所述的通信芯片的LD_MODE端分别与所述的通信芯片的TRI_MODE端和所述的第九电阻的第一端相连接，所述的第九电阻的第二端接VCC，所述的通信芯片的第二VDD端与所述的通信芯片的RESET端相连接并接VCC，所述的通信芯片的DM端接D－信号，所述的通信芯片的DP端接D+信号。

还包括一种通过上述系统实现单相电压同步信号检测的方法，包括以下步骤：

(1)将所述的系统初始化；

(2)判断是否有电压输入，如果是，则继续步骤(4)，否则，继续步骤(3)；

(3)系统进入休眠状态，继续步骤(2)；

(4)实时采样ADC引脚上的电压；

(5)判断是否满足V₁＞V₂且V₀≥V₂，或V₄＞V₃且V₄≥V₀，如果是，继续步骤(6)，否则，继续步骤(4)，其中，V₁和V₂分别为正弦电压单调递减的过程中前一时刻的电压值和后一时刻的电压值，V₃和V₄分别为正弦电压单调递增的过程中前一时刻的电压值和后一时刻的电压值，V₀为正弦电压的零点电压；

(6)将当前信号判定为单相电压同步信号并将该电压IO口或串口输出；

(7)判断所述的系统是否需要停止，如果是，则停止工作，否则，继续步骤(3)。

采用了该发明中的单相电压同步信号检测的系统及方法，本发明为获得高精度的单相电压同步信号，结合硬件和软件的优势，实现高精度同步信号的检测和输出、方便同步信号与其他主控制器通信。利用精密运放OPA2350实现交流信号的调理，利用高性能微处理器STM32实现对交流信号的采样、比较和判断，输出高精度的电压同步信号。对于标准正弦电压而言，所获得的电压同步信号的绝对精度为2/(m*10⁶)，其中m为主控制STM32的ADC采样频率，单位为MHz。对非标准正弦波，如在电压“过零点”产生抖动的情况，根据程序的定时计数、比较和判断也能使得所获得的同步信号绝对精度在3/(m*10⁶)以内。因为直流正弦信号取自电网，而电网电压是相对比较稳定的，即使有波动和谐波，也主要对波峰和波谷影响较大，对于电压过零点的影响相对较小甚至可以忽略不计；该检测电路及其检测方法对输入50Hz的正弦信号直接采样比较和判断，在忽略正弦电压波动对小信号电压“过零点”的影响的情况下获得的电压同步信号绝对精度高达2/(m*10⁶)。即使电网电压波动，根据程序设计，增加高级定时器和滤波功能，依然能实现同步信号绝对精度在3/(m*10⁶)范围以内。从而实现了一种基于MOSFET控制的高精度单相电压同步信号检测电路。

附图说明

图1为本发明的单相电压同步信号检测的系统的框图。

图2为本发明的单相电压同步信号检测的系统及方法电源控制模块的电路图。

图3为本发明的单相电压同步信号检测的系统及方法输入电压采样模块的电路图。

图4为本发明的单相电压同步信号检测的系统及方法运放调理模块的电路图。

图5为本发明的单相电压同步信号检测的系统及方法微处理模块的电路图。

图6为本发明的单相电压同步信号检测的系统及方法通信模块的电路图。

图7为本发明的单相电压同步信号检测的系统及方法的单相正弦电压波形信号及其生成同步信号的原理示意图。

图8为本发明的单相电压同步信号检测的系统及方法正弦变化直流电压同步信号检测、比较和判断的原理示意图。

图9为本发明的单相电压同步信号检测的方法的流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

该单相电压同步信号检测的系统，包括：

电源控制模块，用于所述的系统提供电源供应；

输入电压采样模块，用于将交流市电电压转换成1～2.5V内的交流信号；

运放调理模块，用于将所述的输入电压采样模块输出的交流信号进行差分放大和调理，输出按正弦规律变化的交流信号；

微处理模块，用于对所述的运放调理模块输出的交流信号进行AD采样，并通过对采样得到的信号进行比较和判断，得到交流电压的同步信号；

通信模块，用于实现USB和串口之间的通信。

在一种较佳的实施方式中，所述的电源控制模块包括开关型稳压芯片、三端线性稳压芯片、第一电源芯片、第二电源芯片、第二十八电容、第二十九电容、第三十电容、第三十一电容、第三十二电容、第三十三电容、第二电感、熔断器、第二电感、第三十电阻、第四二极管和发光二极管，所述的开关型稳压芯片的输入端分别与所述的第二十八电容的第一端和所述的第二十九电容的第一端相连接并接12V电压，所述的开关型稳压芯片的开关端分别与所述的第二十八电容的第二端、所述的第二十九电容的第二端、所述的开关型稳压芯片的接地端、所述的第四二极管的正极、所述的第三十电容的第二端、所述的第三十一电容的第二端、所述的三端线性稳压芯片的调整端、所述的第三十二电容的第二端、所述的第三十三电容的第二端、发光二极管的负极、所述的第一电源芯片的第二端、所述的第一电源芯片的第四端、所述的第一电源芯片的第六端、所述的第二电源芯片的第二端、所述的第二电源芯片的第四端和所述的第二电源芯片的第六端相连接并接地，所述的开关型稳压芯片的输出端分别与所述的第四二极管的负极和所述的第二电感的第一端相连接，所述的开关型稳压芯片的反馈端分别与所述的熔断器的第一端和所述的第二电感的第二端相连接，所述的熔断器的第二端分别与所述的第三十电容的第一端、所述的第三十一电容的第一端和所述的三端线性稳压芯片的输入端相连接并接VCC，所述的三端线性稳压芯片地输出端分别与所述的第三十二电容的第一端、所述的第三十三电容的第一端、所述的第三十电阻的第一端、所述的第二电源芯片的第一端、所述的第二电源芯片的第三端和所述的第二电源芯片的第五端相连接，所述的第三十电阻的第二端与所述的发光二极管的正极相连接，所述的第一电源芯片的第一端、所述的第一电源芯片的第三端、所述的第一电源芯片的第五端均接VCC。

在一种较佳的实施方式中，所述的输入电压采样模块包括第十八电阻、第十九电阻和第二十三电阻，所述的第十八电阻的第一端与所述的输入电压采样模块的电压输入端的正极相连接，所述的第十八电阻的第二端与所述的第十九电阻的第一端相连接，所述的第十九电阻的第二端与所述的第二十三电阻的第一端和所述的输入电压采样模块的电输出压端的正极相连接，所述的第二十三电阻的第二端分别与所述的输入电压采样模块的电压输入端的负极和所述的输入电压采样模块的电压输出端的负极相连接。

在一种较佳的实施方式中，所述的运放调理模块包括第十六电阻、第十七电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十四电阻、第二十七电阻、第五二极管、第六二极管、第二十三电容、第一运算放大器和第二运算放大器，所述的第一运算放大器的同相输入端分别与所述的第十六电阻的第二端、所述的第十七电阻的第一端和所述的第二十一电阻的第二端相连接，所述的第十六电阻的第一端与所述的运放调理模块的－BUS端相连接，所述的第十七电阻的第二端接VCC，所述的第二十一电阻的第一端与所述的输入电压采样模块的电压输出端的正极相连接，所述的第一运算放大器的反相输入端分别与所述的第二十四电阻的第二端、所述的第二十七电阻的第一端相连接，所述的第二十四电阻的第一端与所述的输入电压采样模块的电压输出端的负极相连接，所述的第二十七电阻的第二端分别与所述的第一运算放大器的输出端和所述的第二十电阻的第一端相连接，所述的第一运算放大器的正电源端接VCC，所述的第一运算放大器的负电源端接地，所述的第二十电阻的第二端分别与所述的第二十三电容的第一端和所述的第二运算放大器的同相输入端相连接，所述的第二十三电容的第二端接地，所述的第二运算放大器的反相输入端分别与所述的第二运算放大器的输出端和所述的第二十二电阻的第一端相连接，所述的第二十二电阻的第二端分别与所述的第五二极管的负极、所述的第六二极管的正极和所述的运放调理模块的输出端相连接，所述的第五二极管的正极接地，所述的第六二极管的负极接3.3V电压。

在一种较佳的实施方式中，所述的微处理模块包括微处理芯片、第一晶振、第二晶振、第一二极管、第二二极管、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第二电阻、第三电阻、第一电感和变压器，所述的微处理芯片的OSC_IN/PD0端分别与所述的第二电阻的第一端、所述的第一晶振的第一端和所述的第三电容的第一端相连接，所述的第二电阻的第二端分别与所述的微处理芯片的OSC_OUT/PD1端、所述的第一晶振的第二端和所述的第四电容的第一端相连接。所述的第四电容的第二端与所述的第三电容的第二端相连接并接地，所述的微处理芯片的VBAT端分别与所述的第一二极管的负极和所述的第二二极管的负极相连接，所述的第一二极管的正极接3.3V电压，所述的第二二极管的正极分别与所述的第五电容的第二端和所述的变压器的第四端相连接并接地，所述的第五电容的第一端分别与所述的第三电阻的第二端和所述的变压器的第一端相连接并接复位信号，所述的第三电阻的第一端接3.3V电压，所述的微处理芯片的VDD_1端分别与所述的微处理芯片的VDD_2端、所述的微处理芯片的VDD_3端、所述的微处理芯片的VDD_4端和所述的第一电感的第一端相连接并接3.3V电压，所述的第一电感的第二端分别与所述的第八电容的第一端、所述的第九电容的第一端和所述的微处理芯片的VDDA端相连接，所述的第八电容的第二端与所述的第九电容的第二端相连接并接地，所述的微处理芯片的VSS_1端分别与所述的微处理芯片的VSS_2端、所述的微处理芯片的VSS_3端、所述的微处理芯片的VSS_4端和所述的微处理芯片的VSSA端相连接并接地，所述的微处理芯片的PC14-OSC32_IN端分别与所述的第二晶振的第二端和所述的第七电容的第一端相连接，所述的第七电容的第二端与所述的第六电感的第二端相连接并接地，所述的第六电感的第一端分别与所述的第二晶振的第一端和所述的微处理芯片的PC15-OSC32_OUT端相连接。

在一种更佳的实施方式中，所述的微处理模块还包括显示单元，用以显示电压采样值和输出单相电压同步信号，所述的显示单元与所述的微处理芯片相连接。

在一种较佳的实施方式中，所述的通信模块包括通信芯片、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第三二极管、NPN型三极管、PNP型三极管、第十电容、第十一电容、第十二电容、第十三电容、第二十二电容和第三晶振，所述的通信芯片的TDX端接TDX信号，所述的通信芯片的DTR_N端分别与所述的第六电阻的第二端和所述的第五电阻的第二端相连接，所述的第五电阻的第一端与所述的第四电阻的第二端相连接，所述的第四电阻的第一端分别与所述的第三二极管的负极和所述的NPN型三极管的集电极相连接，所述的第三二极管的正极接复位信号，所述的第六电阻的第一端与所述的NPN型三极管的基极相连接，所述的NPN型三极管的发射极分别与所述的第七电阻的第二端、所述的第八电阻的第二端和所述的通信芯片的RTS_N端相连接，所述的第七电阻的第一端与所述的PNP型三极管的发射极相连接并接3.3V电压，所述的PNP型三极管的基极与所述的第八电阻的第一端相连接，所述的PNP型三极管的集电极与所述的第十电阻的第一端相连接，所述的第十电阻的第二端接BOOT0信号，所述的通信芯片的VDD_232端与所述的第十电容的第二端相连接，所述的第十电容的第一端接地，所述的通信芯片的RXD端接RXD信号，所述的通信芯片的第一GND端与所述的第十三电容的第二端相连接并接地，所述的第十三电容的第一端与所述的通信芯片的第一VDD端相连接并接VCC，所述的通信芯片的OSC1端分别与所述的第三晶振的第二端和所述的第十二电容的第一端相连接，所述的第三晶振的第二端分别与所述的第十一电容的第一端和所述的通信芯片的OSC2端相连接，所述的第十一电容的第二端分别与所述的第十二电容的第二端、所述的通信芯片的PLL_TEST端、所述的通信芯片的GND_PLL端、所述的通信芯片的第二GND端、所述的通信芯片的GND_3V3端和所述的第二十二电容的第二端相连接并接地，所述的第二十二电容的第一端与所述的通信芯片的VDD_3V3端相连接，所述的通信芯片的VDD_PLL端接VCC，所述的通信芯片的LD_MODE端分别与所述的通信芯片的TRI_MODE端和所述的第九电阻的第一端相连接，所述的第九电阻的第二端接VCC，所述的通信芯片的第二VDD端与所述的通信芯片的RESET端相连接并接VCC，所述的通信芯片的DM端接D－信号，所述的通信芯片的DP端接D+信号。

还包括一种通过上述系统实现单相电压同步信号检测的方法，包括以下步骤：

(1)将所述的系统初始化；

(2)判断是否有电压输入，如果是，则继续步骤(4)，否则，继续步骤(3)；

(3)系统进入休眠状态，继续步骤(2)；

(4)实时采样ADC引脚上的电压；

(5)判断是否满足V₁＞V₂且V₀≥V₂，或V₄＞V₃且V₄≥V₀，如果是，继续步骤(6)，否则，继续步骤(4)，其中，V₁和V₂分别为正弦电压单调递减的过程中前一时刻的电压值和后一时刻的电压值，V₃和V₄分别为正弦电压单调递增的过程中前一时刻的电压值和后一时刻的电压值，V₀为正弦电压的零点电压；

(6)将当前信号判定为单相电压同步信号并将该电压IO口或串口输出；

(7)判断所述的系统是否需要停止，如果是，则停止工作，否则，继续步骤(3)。

在一种具体的实施方式中，如图1所示，主要由控制部分电源电路、AC输入电压采样电路、运放调理电路、USB—串口通信和微处理器STM32等电路组成。所述单相交流电压经过电阻分压后经过差分放大器将交流信号放大和调理，同时利用电阻分压将运放的同相输入端抬升一个电压U_x，以此获得的交流信号为以U_x为零点而在正电压范围内变化。将此经过运放调理电路的正弦信号和电压基准U_x输入微处理器STM32的高速ADC采样端口。所述USB—串口通信电路采用PL2303通信芯片；所述微处理器STM32通过高速ADC转换器将实时采样输入电压；所述控制部分电源电路为整体控制系统提供电源供应。

所述AC输入电压采样电路由精密电阻分压或精密型电压互感器将交流市电电压转换成1～2.5V以内的交流小信号。

所述运放调理电路，采用OPA2350双通道精密运算放大器，该精密运放为轨对轨输入和输出，输出误差小于10mV，带宽高达38MHz，响应速度极快，输出噪声低至5nV/Hz。利用运放OPA2350将输入的交流小信号进行差分放大，同时将信号零点抬升U_x，并经后级电压跟随器调理，从而获得0～3.3V范围内按正弦规律变化的电压信号。

所述微处理器STM32直接接收来自信号调理电路的交流小信号，并进行高速AD采样，对采样得到的信号与U_x进行比较、判断，从而获得交流信号的“过零点”，该“过零点”可以为芯片内部使用，也可以通过微处理器串口输出或IO口输出，即得到交流电压的同步信号。

所述的微处理器STM32系统电路还包括2.8寸的TFT液晶显示器接口，方便人机交互和显示电压同步信号精度等系统信息。

所述USB—串口通信电路采用PL2303通信芯片，PL2303是一种高度集成的RS232-USB接口转换器，可提供RS232全双工异步串行通信转置与USB功能接口便于连接的解决方案。PL2303内置USB功能控制器，USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART，只需要在外部连接几个电容即可实现USB信号与RS232信号的转换。PL2303的通信波特高达6Mb/s，是一种低功耗器件，能高度兼容多数操作系统，并且兼容3～5V电源工作和输出。利用PL2303实现STM32和上位机或其他微处理器的通信，将来自STM32的传输数据发送到上位机或其他微处理器，并接收上位机或其他微处理器的指令或信号。

所述电源电路，采用的芯片为LM2575-5V和AMS1117-3.3V，其中LM2575系列开关型稳压器可以完美替代三端线性稳压器，且能获得更高的效率，散热更低。该系列稳压器使用简单，只需使用最少的外部元件即可获得稳定的电压输出，同时该系列芯片还兼具保护功能，包括逐周期电流限制和热故障条件下的自动断电保护等。AMS1117为低压差型三端线性稳压器，最大输出电流可大1A，输出电压误差仅为1.5％。采用线性稳压器提供3.3V电压，能为主控制器STM32提供更加稳定的工作电压，同时便于为ADC采样提供电压基准。该电源控制电路将由外部输入端的12V电源经过LM2575开关转换芯片转换成5V电源，5V电源为工作于5V电压的器件供电的同时也为3.3V线性稳压器AMS1117提供电能。

所述单相电压同步信号检测电路还可以将实时采样回来的电压信号做积分处理以获得交流电压的有效值。

所述的单相电压同步信号检测电路及其检测方法基础是电路的设计，实现将交流信号转换调理成正弦变化的直流信号，并提供电源和通信电路等，关键在基于主控制器STM32的程序设计中对采集回来的信号做滤波、比较和判断，进而获得所要求的同步信号，同时微处理器STM32还能实现多种运算功能，如将实时采集到的电压信号做积分运算以获得电压的有效值等。

在一种更具体的实施方式中，本发明主要由供电电源，单相正弦电压取样电路、交流小信号放大和调理电路、基于STM32的微处理器控制电路和USB—串口通信电路组成。

所述供电电源，如图2所示，为整个系统的器件提供电能，其外部输入为12V直流电压，经过开关型稳压芯片LM2575输出5V直流电压。同时，5V直流电源经过低压差线性三端线性稳压器AMS1117能获得精度和稳定性更高的3.3V电源。

所述单相正弦电压取样电路，如图3所示，通过电阻分压或精密电压互感器从交流市电取得交流小信号。根据信号调理电路和采样芯片输入电压范围的限制，选定精密电阻分压和电压互感器以获得波动范围在1.5V(2.5-1)以内的交流小信号。

所述交流小信号放大和调理电路，如图4所示，将输入的波动范围在1.5V以内的交流小信号输入精密运算放大器OPA2350中，且利用电阻分压将运放的同相输入端电压抬升一个电压U_x，根据输入电压的采样范围，本发明中选择U_x＝3.3/2＝1.65V。经过电压抬升的输入信号变化范围在1～2.5V之间，即输入运放的电压范围。运放OPA2350对输入的直流正弦变化信号做稍微的放大之后电压变化范围在0～3.3V之间，后级运放做为电压跟随器对信号做进一步的处理，以减小由此带来的直流电流对输入信号采样的影响。为保证输出的电压变化范围不超过3.3V，输出电压做了限压保护。

所述基于STM32的微处理器控制电路，如图5所示，主要实现将输入的直流正弦变化电压经AD采样后与基准电压U_x作比较、判断，从而获得单相电压的同步信号。该同步信号可以通过IO口直接输出，也可以通过上述基于PL2303的USB—串口通信电路输出。同时利用STM32的强大功能，还可以将采集到的电压信号做进一步运算可以得到输入电压的有效值。STM32系统电路还带有TFT液晶显示器，能方便显示电压采样值和输出单相电压同步信号实现人机交互。

所述基于PL2303的USB—串口通信电路，如图6所示，主要实现微处理器STM32和上位机或其他微处理之间的通信。如图5所示，通过PL2303可以将采集到的同步信号输出，也可以将经过AD转换之后的数字信号或电压有效值传送到上位机或其他微处理器，便于整个系统的控制。同时该USB—串口通信电路还可以提供STM32的程序下载接口，免去连接JTAG的麻烦，图5下方的左小图为STM32的软件下载JLINK连接方式，为标准接口，且引脚上有标注，跟微处理器STM32引脚标注相同即为连接在一起的。该处应不在权利保护范围内。图5下方右小图的电容为连接在电源正负极之间，其具体摆放位置根据画PCB板的时候具体安排。

上述所述电路最为关键的是，STM32F103系列单片机功能强大，性价比极高，通过一个微处理器和简易外围电路即可获得高精度的单相电压同步信号。

如图7所示，为单相正弦电压及所对应的电压同步信号示意图，对于单相正弦电压，其所对应的同步信号如图下方所示。若单相正弦电压为正半波，则输出为正电压方波，若单相正弦电压处于负半波，则输出为零电压，由此得到的频率为50Hz、占空比为50％的方波同步信号。依此所述，本发明的电路工作过程，第一、将市电220V的交流信号用电阻分压或精密电压互感器得到波动范围在1.5V以内的交流小信号。第二、利用精密运算放大器将输入的交流小信号整体抬升1.65V，其中电阻R16和R17为高精密电阻，以从VCC及3.3V中获得更加精准度的1.65V电压。对输入的直流正弦信号经差分放大器放大到0～3.3V之间，电阻R20和电容C23可以构成RC滤波器，其中C23的大小直接决定着输入交流信号的移相大小，需根据实际应用场合选择该电容的大小。对于对同步信号精度要求不高的场合可以选择C23电容值大些，从而获得更加平滑的直流正弦信号；对于对同步信号精度要求很高的场合，C23电容值选择小些，甚至可以去掉C23，通过软件判断从而输出高精度的单相电压同步信号。精密运算放大电路的后级运放只做电压跟随器，起到对信号进行调理的作用，只输出电压信号，便于微处理器STM32直接采样。第三、由运放输出的正弦变化的直流电压信号输入到STM32的高速ADC引脚中，STM32系统供电电压为3.3V、ADC模块为12位有效值，即3.3V的时候ADC模块采样值为4095，本发明以1.65V为同步信号采样的过零点基准，该基准的ADC采样值为2047，微处理器STM32对该引脚上的电压进行实时采样，并与电压基准1.65V的12位ADC采样值作比较和判断，从而输出高精度的正弦电压同步信号。

如图8所示，直流电压以U_x为“零点”做正弦变化，本发明中U_x＝1.65V。正常情况下，半周期内电压“过零点””只有一个点，所以只需连续采集两个点的AD值，通过比较即可判断出电压同步信号。例如在电压从正半周向下变化的过程中连续采集两个点的数据t₁、t₂，假设t₀为U_x＝1.65V采集到的AD值，有如下判断：若t₁＞t₂且t₀≥t₂，则在t₂时刻获得单相电压的同步信号。同理，对于电压从负半周向上变化的过程中连续采集两个点的数据t₃、t₄，若t₃＜t₄且t₀≤t₄，则在t₄时刻获得单相电压的同步信号。对于正弦电压过零点有抖动的非正常情况下，需连续采集三个点的AD值，并结合系统高级定时器(非看门狗定时器)加以比较、判断，若在某时刻电压过零点处过于抖动则可以以系统高级定时器为基准正常输出50Hz正弦方波，待电压稳定后继续以电路检测、比较和判断为基础输出同步信号。以正常情况下电压同步信号采集、比较和判断为例，进一步说明。

如图9所示，首先系统初始化，开启实时ADC功能，然后检测相应的ADC引脚上的电压，若无电压输入则系统处于休眠状态，若有电压输入则实时采集相应引脚上的AD值，并在主程序中对采集的数据加以比较，若V₁＞V₂且V₀≥V₂或V₄＞V₃且V₄≥V₀时，则可以确定检测到单相电压同步信号，系统可以通过IO口或串口输出同步信号，然后在未收到停止或休眠指令前依此循环检测输出同步信号。

本发明利用高性能，高性价比微处理STM32，结合硬件和软件优势实现了利用传统方法上难以获得的高精度单相电压同步信号，具有较大的实际应用价值和优势。

采用了该发明中的单相电压同步信号检测的系统及方法，本发明为获得高精度的单相电压同步信号，结合硬件和软件的优势，实现高精度同步信号的检测和输出、方便同步信号与其他主控制器通信。利用精密运放OPA2350实现交流信号的调理，利用高性能微处理器STM32实现对交流信号的采样、比较和判断，输出高精度的电压同步信号。对于标准正弦电压而言，所获得的电压同步信号的绝对精度为2/(m*10⁶)，其中m为主控制STM32的ADC采样频率，单位为MHz。对非标准正弦波，如在电压“过零点”产生抖动的情况，根据程序的定时计数、比较和判断也能使得所获得的同步信号绝对精度在3/(m*10⁶)以内。因为直流正弦信号取自电网，而电网电压是相对比较稳定的，即使有波动和谐波，也主要对波峰和波谷影响较大，对于电压过零点的影响相对较小甚至可以忽略不计；该检测电路及其检测方法对输入50Hz的正弦信号直接采样比较和判断，在忽略正弦电压波动对小信号电压“过零点”的影响的情况下获得的电压同步信号绝对精度高达2/(m*10⁶)。即使电网电压波动，根据程序设计，增加高级定时器和滤波功能，依然能实现同步信号绝对精度在3/(m*10⁶)范围以内。从而实现了一种基于MOSFET控制的高精度单相电压同步信号检测电路。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (8)

1.一种单相电压同步信号检测的系统，其特征在于，所述的系统包括：

电源控制模块，用于为所述的系统提供电源供应；

输入电压采样模块，用于将交流市电电压转换成1～2.5V内的交流信号；

运放调理模块，用于将所述的输入电压采样模块输出的交流信号进行差分放大和调理，输出按正弦规律变化的交流信号；

微处理模块，用于对所述的运放调理模块输出的交流信号进行AD采样，并通过对采样得到的信号进行比较和判断，得到交流电压的同步信号，其具体过程包括：

(1)将所述的系统初始化；

(2)判断是否有电压输入，如果是，则继续步骤(4)，否则，继续步骤(3)；

(3)系统进入休眠状态，继续步骤(2)；

(4)实时采样微处理模块的ADC引脚上的电压；

(5)判断是否满足V₁＞V₂且V₀≥V₂，或V₄＞V₃且V₄≥V₀，如果是，继续步骤(6)，否则，继续步骤(4)，其中，V₁和V₂分别为正弦电压单调递减的过程中前一时刻的电压值和后一时刻的电压值，V₃和V₄分别为正弦电压单调递增的过程中前一时刻的电压值和后一时刻的电压值，V₀为正弦电压的零点电压；

(6)将当前信号判定为单相电压同步信号并将该电压IO口或串口输出；

(7)判断所述的系统是否需要停止，如果是，则停止工作，否则，继续步骤(3)；

通信模块，用于实现USB和串口之间的通信。

2.根据权利要求1所述的单相电压同步信号检测的系统，其特征在于，所述的电源控制模块包括开关型稳压芯片、三端线性稳压芯片、第一电源芯片、第二电源芯片、第二十八电容、第二十九电容、第三十电容、第三十一电容、第三十二电容、第三十三电容、第二电感、熔断器、第三十电阻、第四二极管和发光二极管，所述的开关型稳压芯片的输入端分别与所述的第二十八电容的第一端和所述的第二十九电容的第一端相连接并接12V电压，所述的开关型稳压芯片的开关端分别与所述的第二十八电容的第二端、所述的第二十九电容的第二端、所述的开关型稳压芯片的接地端、所述的第四二极管的正极、所述的第三十电容的第二端、所述的第三十一电容的第二端、所述的三端线性稳压芯片的调整端、所述的第三十二电容的第二端、所述的第三十三电容的第二端、发光二极管的负极、所述的第一电源芯片的第二端、所述的第一电源芯片的第四端、所述的第一电源芯片的第六端、所述的第二电源芯片的第二端、所述的第二电源芯片的第四端和所述的第二电源芯片的第六端相连接并接地，所述的开关型稳压芯片的输出端分别与所述的第四二极管的负极和所述的第二电感的第一端相连接，所述的开关型稳压芯片的反馈端分别与所述的熔断器的第一端和所述的第二电感的第二端相连接，所述的熔断器的第二端分别与所述的第三十电容的第一端、所述的第三十一电容的第一端和所述的三端线性稳压芯片的输入端相连接并接VCC，所述的三端线性稳压芯片的输出端分别与所述的第三十二电容的第一端、所述的第三十三电容的第一端、所述的第三十电阻的第一端、所述的第二电源芯片的第一端、所述的第二电源芯片的第三端和所述的第二电源芯片的第五端相连接并与3.3V电压连接，所述的第三十电阻的第二端与所述的发光二极管的正极相连接，所述的第一电源芯片的第一端、所述的第一电源芯片的第三端、所述的第一电源芯片的第五端均接VCC。

3.根据权利要求1所述的单相电压同步信号检测的系统，其特征在于，所述的输入电压采样模块包括第十八电阻、第十九电阻和第二十三电阻，所述的第十八电阻的第一端与所述的输入电压采样模块的电压输入端的正极相连接，所述的第十八电阻的第二端与所述的第十九电阻的第一端相连接，所述的第十九电阻的第二端与所述的第二十三电阻的第一端和所述的输入电压采样模块的电压输出端的正极相连接，所述的第二十三电阻的第二端分别与所述的输入电压采样模块的电压输入端的负极和所述的输入电压采样模块的电压输出端的负极相连接。

4.根据权利要求1所述的单相电压同步信号检测的系统，其特征在于，所述的运放调理模块包括第十六电阻、第十七电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十四电阻、第二十七电阻、第五二极管、第六二极管、第二十三电容、第一运算放大器和第二运算放大器，所述的第一运算放大器的同相输入端分别与所述的第十六电阻的第二端、所述的第十七电阻的第一端和所述的第二十一电阻的第二端相连接，所述的第十六电阻的第一端与所述的运放调理模块的－BUS端相连接，所述的第十七电阻的第二端接VCC，所述的第二十一电阻的第一端与所述的输入电压采样模块的电压输出端的正极相连接，所述的第一运算放大器的反相输入端分别与所述的第二十四电阻的第二端、所述的第二十七电阻的第一端相连接，所述的第二十四电阻的第一端与所述的输入电压采样模块的电压输出端的负极相连接，所述的第二十七电阻的第二端分别与所述的第一运算放大器的输出端和所述的第二十电阻的第一端相连接，所述的第一运算放大器的正电源端接VCC，所述的第一运算放大器的负电源端接地，所述的第二十电阻的第二端分别与所述的第二十三电容的第一端和所述的第二运算放大器的同相输入端相连接，所述的第二十三电容的第二端接地，所述的第二运算放大器的反相输入端分别与所述的第二运算放大器的输出端和所述的第二十二电阻的第一端相连接，所述的第二十二电阻的第二端分别与所述的第五二极管的负极、所述的第六二极管的正极和所述的运放调理模块的输出端相连接，所述的第五二极管的正极接地，所述的第六二极管的负极接3.3V电压。

5.根据权利要求1所述的单相电压同步信号检测的系统，其特征在于，所述的微处理模块包括微处理芯片、第一晶振、第二晶振、第一二极管、第二二极管、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第二电阻、第三电阻、第一电感和变压器，所述的微处理芯片采用STM32F103RC，其OSC_IN/PD0端分别与所述的第二电阻的第一端、所述的第一晶振的第一端和所述的第三电容的第一端相连接，所述的第二电阻的第二端分别与所述的微处理芯片的OSC_OUT/PD1端、所述的第一晶振的第二端和所述的第四电容的第一端相连接，所述的第四电容的第二端与所述的第三电容的第二端相连接并接地，所述的微处理芯片的VBAT端分别与所述的第一二极管的负极和所述的第二二极管的负极相连接，所述的第一二极管的正极接3.3V电压，所述的第二二极管的正极分别与所述的第五电容的第二端和所述的变压器的第四端相连接并接地，所述的第五电容的第一端分别与所述的第三电阻的第二端和所述的变压器的第一端相连接并接复位信号，所述的第三电阻的第一端接3.3V电压，所述的微处理芯片的VDD_1端分别与所述的微处理芯片的VDD_2端、所述的微处理芯片的VDD_3端、所述的微处理芯片的VDD_4端和所述的第一电感的第一端相连接并接3.3V电压，所述的第一电感的第二端分别与所述的第八电容的第一端、所述的第九电容的第一端和所述的微处理芯片的VDDA端相连接，所述的第八电容的第二端与所述的第九电容的第二端相连接并接地，所述的微处理芯片的VSS_1端分别与所述的微处理芯片的VSS_2端、所述的微处理芯片的VSS_3端、所述的微处理芯片的VSS_4端和所述的微处理芯片的VSSA端相连接并接地，所述的微处理芯片的PC14-OSC32_IN端分别与所述的第二晶振的第二端和所述的第七电容的第一端相连接，所述的第七电容的第二端与所述的第六电感的第二端相连接并接地，所述的第六电感的第一端分别与所述的第二晶振的第一端和所述的微处理芯片的PC15-OSC32_OUT端相连接。

6.根据权利要求5所述的单相电压同步信号检测的系统，其特征在于，所述的微处理模块还包括显示单元，用以显示电压采样值和输出单相电压同步信号，所述的显示单元与所述的微处理芯片相连接。

7.根据权利要求1所述的单相电压同步信号检测的系统，其特征在于，所述的通信模块包括通信芯片、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第三二极管、NPN型三极管、PNP型三极管、第十电容、第十一电容、第十二电容、第十三电容、第二十二电容和第三晶振，所述的通信芯片采用PL2302，其TXD端接TXD信号，所述的通信芯片的DTR_N端分别与所述的第六电阻的第二端和所述的第五电阻的第二端相连接，所述的第五电阻的第一端与所述的第四电阻的第二端相连接，所述的第四电阻的第一端分别与所述的第三二极管的负极和所述的NPN型三极管的集电极相连接，所述的第三二极管的正极接复位信号，所述的第六电阻的第一端与所述的NPN型三极管的基极相连接，所述的NPN型三极管的发射极分别与所述的第七电阻的第二端、所述的第八电阻的第二端和所述的通信芯片的RTS_N端相连接，所述的第七电阻的第一端与所述的PNP型三极管的发射极相连接并接3.3V电压，所述的PNP型三极管的基极与所述的第八电阻的第一端相连接，所述的PNP型三极管的集电极与所述的第十电阻的第一端相连接，所述的第十电阻的第二端接BOOT0信号，所述的通信芯片的VDD_232端与所述的第十电容的第二端相连接，所述的第十电容的第一端接地，所述的通信芯片的RXD端接RXD信号，所述的通信芯片的第一GND端与所述的第十三电容的第二端相连接并接地，所述的第十三电容的第一端与所述的通信芯片的第一VDD端相连接并接VCC，所述的通信芯片的OSC1端分别与所述的第三晶振的第二端和所述的第十二电容的第一端相连接，所述的第三晶振的第一端分别与所述的第十一电容的第一端和所述的通信芯片的OSC2端相连接，所述的第十一电容的第二端分别与所述的第十二电容的第二端、所述的通信芯片的PLL_TEST端、所述的通信芯片的GND_PLL端、所述的通信芯片的第二GND端、所述的通信芯片的GND_3V3端和所述的第二十二电容的第二端相连接并接地，所述的第二十二电容的第一端与所述的通信芯片的VDD_3V3端相连接，所述的通信芯片的VDD_PLL端接VCC，所述的通信芯片的LD_MODE端分别与所述的通信芯片的TRI_MODE端和所述的第九电阻的第一端相连接，所述的第九电阻的第二端接VCC，所述的通信芯片的第二VDD端与所述的通信芯片的RESET端相连接并接VCC，所述的通信芯片的DM端接D－信号，所述的通信芯片的DP端接D+信号。

8.一种通过权利要求1所述的系统实现单相电压同步信号检测的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)将所述的系统初始化；

(2)判断是否有电压输入，如果是，则继续步骤(4)，否则，继续步骤(3)；

(3)系统进入休眠状态，继续步骤(2)；

(4)实时采样微处理模块的ADC引脚上的电压；

(5)判断是否满足V₁＞V₂且V₀≥V₂，或V₄＞V₃且V₄≥V₀，如果是，继续步骤(6)，否则，继续步骤(4)，其中，V₁和V₂分别为正弦电压单调递减的过程中前一时刻的电压值和后一时刻的电压值，V₃和V₄分别为正弦电压单调递增的过程中前一时刻的电压值和后一时刻的电压值，V₀为正弦电压的零点电压；

(6)将当前信号判定为单相电压同步信号并将该电压IO口或串口输出；

(7)判断所述的系统是否需要停止，如果是，则停止工作，否则，继续步骤(3)。